基本信息
- 项目名称：
- YSU_ZB无线煤矿安全生产监控系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- YSU_ZB监控系统是集国内外最先进的煤矿监控技术优势并针对我国煤矿现状而开发的一套软、硬件结合的全矿井安全生产综合无线监控系统。 随着传感器技术、无线通信技术、网络技术和嵌入式技术的不断发展，近几年来出现的无线传感器网络技术为解决煤矿安全问题提供了可能的解决方案。无线传感器网络监控系统有着成本低，体积小，安装、配置、维护简便，可重复利用，自动动态组网，持续工作时间比较长(1－2年)的特点，通过无线网络传播信息，由这些微小的智能传感设备所组成的网络，不但能取代传统的传感设备，还能完成许多传统控制，监视设备所做不到的任务，特别适合在煤矿瓦斯监测和人员定位方面的应用。 本系统将分布于井下的所有传感器节点纳入一个智能化、结构灵活的无线网络系统,组成以传感器节点为依托的层次化且具有本安特性的传感器网络，系统实现了对实时信息（一氧化碳浓度，甲烷浓度等参数等）的采集、处理、传输和智能化预警四大环节的系统研究，致力于从整体上提高矿井灾害监测预警系统性能，以最大程度减少或避免矿井塌方和瓦斯爆炸等灾害事故发生。 我们深信，未来的世界，是无线的世界,无线将连接一切。
- 详细介绍：
- YSU_ZB监控系统是集国内外最先进的煤矿监控技术优势并针对我国煤矿现状而开发的一套软、硬件结合的全矿井安全生产综合无线监控系统。 本系统将分布于井下的所有传感器节点纳入一个智能化、结构灵活的无线网络系统,组成以传感器节点为依托的层次化且具有本安特性的传感器网络，系统实现了对实时信息（瓦斯、甲烷浓度等参数等）的采集、处理、传输和智能化预警四大环节的系统研究，致力于从整体上提高矿井灾害监测预警系统性能，以最大程度减少或避免矿井塌方和瓦斯爆炸等灾害事故发生。 煤炭作为我国的主要能源，在一次能源生产和消费结构中始终占70%左右，但目前我国煤矿安全生产形势严峻，我国煤炭工业有300多万从业人员，同时也具有全球最高的人均矿难事故发生率，伤亡人数为世界上主要采煤国家死亡总数的４倍。煤矿企业存在规模巨大、人员众多、作业点分散、工作环境恶劣、事故突发性强的特点，国家对煤矿的安全生产也日益重视，监管力度在不断加强。“安全生产”已经成为目前煤炭企业的生存之本。 针对于工业恶劣的环境，本作品开发了一种具有自主知识产权的工业级无线协议栈，而且已经成功应用于无线污水监测系统，本协议栈针对于工业坏境更强调的是可靠性，易用性与可移植性，而且使传感器网络规模真正达到千级水平，这是其他协议栈无法比拟的。为了推动国内无线技术的发展，我们决定将作品中的工业级无线协议栈-MicroRF开源，目前相关的源代码整理工作正在进行。 多节点自组网适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点，优秀的电源管理方案着眼于电源供电限制严格的特点，网络具有容量大、时延短、安全、有效范围小、工作频段灵活等特点，彻底消除监测盲区，能替代原有的485/232总线，适用于线状，一主多从的网状网络，能替代原有的GPRS系统，实现低安装成本，低运营成本的数据传输系统。通信链路由主井无线节点和巷道无线节点连接,可灵活改变节点位置或者增加和减少节点数量，可全面监控矿井上下的瓦斯、风速、一氧化碳等安全参数，以及设备开、停、供电状态以及煤仓煤位等生产参数，可汇接多个安全与生产环节子系统，以适用于各类大、中、小型及地方煤矿使用。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、研究背景： 煤炭作为我国的主要能源，在一次能源生产和消费结构中始终占70%左右，但目前我国煤矿安全生产形势严峻，我国煤炭工业有300多万从业人员，同时也具有全球最高的人均矿难事故发生率，伤亡人数为世界上主要采煤国家死亡总数的４倍，国家对煤矿的安全生产日益重视，监管力度在不断加强。“安全生产”已经成为目前煤炭企业的生存之本。 二、事故原因分析： 1、煤矿事故发生的主要形式为瓦斯爆炸、瓦斯突出及中毒窒息。 其原因主要为： ①全局和局部通风结构及管理不善，导致异常涌出的瓦斯得不到排除或稀释。②现场监控报警手段落后，不能及时发现和排除事故隐患，不能及时发出报警。③上级煤管机关对各矿井下瓦斯变化，缺少直接、定量、有效、客观的监控条件与手段。 2、井下人员定位问题，风机监测，排水监测等 三、技术路线与设计方案： 根据系统的总体功能要求，进行模块化设计和系统集成。采取计算机模拟研究和物理实验验证结合的方法，重点关注技术创新成果在实际煤炭工业环境中的应用效果和经济技术指标。作品针对于工业坏境开发了具有自主知识产权的工业级无线协议栈，强调的是可靠性，易用性与可移植性，而且使传感器网络规模达到千级水平。通信链路由主井无线节点和巷道无线节点连接，可灵活改变节点位置或者增加和减少节点数量，可全面监控矿井上下的瓦斯、风速、一氧化碳等安全参数，以及设备开、停、供电状态以及煤仓煤位等生产参数，可汇接多个安全与生产环节子系统，以适用于各类大、中、小型及地方煤矿使用。
科学性、先进性
- 系统融合了传感器技术、无线通信技术、网络技术和嵌入式技术。 作品开发了一种具有自主知识产权的工业级无线协议栈，而且已经成功应用于无线污水监测系统，本协议栈针对于工业坏境更强调可靠性，易用性与可移植性，而且使传感器网络规模真正达到千级水平，这是其他协议栈无法比拟的。 1人员定位方案：利用区域定位技术，根据矿井的结构布置无线网络，根据布置的网络结构做定位算法，定位应用算法的改进，当目标节点一直处于移动状态时，目标位置的估计值会出现波动。通过现场实际测量并进行适当算法校正，做精确定位。 2.渗水监测：上位机采用地理信息系统（GIS）把矿区的数据信息组织、分析。 3.技术优势：多节点自组网适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点，优秀的电源管理方案着眼于电源供电限制严格的特点，网络具有容量大、时延短、安全、有效范围小、工作频段灵活等特点，彻底消除监测盲区，能替代原有的485/232总线，适用于线状，一主多从的网状网络，能替代原有的GPRS系统，实现低安装成本，低运营成本的数据传输系统。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年 10月 **大学“世纪杯” 特等奖 2009年 5月 河北省“挑战杯” 一等奖
作品所处阶段
- 自主知识产权的工业级无线协议栈已经完成，无线节点数传模块已经完成，由于上位机需定制，目前正在在完善。
技术转让方式
- 项目合作，可以提供自主知识产权工业级无线协议栈，针对仪表的无线组网提供OEM定制服务和相关应用方案。
作品可展示的形式
- 无线节点实物，MicroRF自组网过程演示，图片，录像，上位机演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- YSU_ZB监控系统是集国内外最先进的煤矿监控技术优势并针对我国煤矿现状而开发的一套软、硬件结合的全矿井安全生产综合无线监控系统。 本作品开发了一种具有自主知识产权的工业级无线协议栈，而且已经成功应用于无线污水监测系统，本协议栈针对于工业坏境更强调的是可靠性，易用性与可移植性，而且使传感器网络规模真正达到千级水平，这是其他协议栈无法比拟的。 本系统将分布于井下的所有传感器节点纳入一个智能化、结构灵活的无线网络系统,组成以传感器节点为依托的层次化且具有本安特性的传感器网络，系统实现了对实时信息（瓦斯浓度，巷道渗水等）的采集、处理、传输和智能化预警四大环节的系统研究，致力于从整体上提高矿井灾害监测预警系统性能，可汇接多个安全与生产环节子系统，以最大程度减少或避免矿井塌方和瓦斯爆炸等灾害事故发生，适用于各类大、中、小型及地方煤矿使用，是煤矿安全生产的必要保证。 我们深信，未来的世界，是无线的世界,无线将连接一切。
同类课题研究水平概述
- 美国的Q-Track集团和Wiborne公司在2006年受到美国国家自然科学基金、美国国防部、美国国土安全部和其他一些联邦机构资助，研究无线矿工定位系统，系统可以在数百英尺外跟踪矿工位置，精确度到达10英尺之内；卡内基•梅隆大学于2006年开始进行FireFly Sensor Networks项目，研究煤矿事故救援中的网络技术，采用Zigbee技术，开发了能够进行人员定位和声音传输的无线传感器网络，并在一处煤矿进行实验，结果显示此网络系统能够跟踪人员位置信息，也能在紧急状况下，切换到高速率语音通信状态；加拿大Active Control Technology公司开发Active Mine系统，完全采用无线通信，可以跟踪矿工和设备的位置，也可用作语音通信；澳大利亚联邦工业与科学研究组织CSIRO研发了煤矿井下无线通信系统，以此来提高采矿的安全性。 香港科技大学的刘云浩教授和博士生李默在2007年研制了无线网络煤矿监控系统，并荣获“2007年香港资讯及通讯科技奖”之最佳创新及研究大奖；东北大学网络与通信中心提出了将无线传感器网络与现代VOIP网络相结合，设计了一种适合瓦斯监测和语音通信的综合业务数字网；清华大学提出的“煤矿安全生产、办公自动化信息管理系统”基于瓦斯传感器探测技术、GPRS无线通信技术和无线传感器网络技术，开发了煤矿基础设施管理子系统矿、矿井安全生产实时监测子系统、井下人员跟踪定位子系统和抢险救护管理子系统。 山东中煤电气公司、煤炭信息研究所、太原新欣微电等公司设计的有线的监测系统，在各大煤矿上有很多实际的应用案例，但都没有从技术实质上进行创新。 由此可见，国外的研究机构已经开发了基于传感器网络的监测，定位和紧急情况语音通信的系统，并且已经进行了小规模的实际测试。国内近两年也将无线技术应用于煤矿安全的研究之中，采用WLAN，RFID等技术，设计和开发了一些系统，但实际研究较少，井下环境和采矿机械产生对传感器网络传输信号的影响没有被充分考虑。因此，有必要充分分析井下环境，建立井下电磁环境模型进行分析，加强传感器网络在煤矿安全方面的无线协议研究，改进网络系统性能。另外，透水事故在最近几年频频发生，也是煤矿安全需要保障的一个重要方面，针对这方面的研究几乎是空白，是急需得到解决的问题之一。
